G´eom´etrie 1 : Espaces Pr´ehilbertiens
MP
17 mars 2009
Table des mati`eres
1 Espaces pr´ehilbertiens 2
1.1 Espaces pr´ehilbertiens r´eels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Espaces pr´ehilbertiens complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Orthogonalit´e 5
2.1 G´en´eralit´es .................................... 5
2.2 Construction de bases orthogonales : le proc´ed´e de Gram Schmidt . . . . . 7
2.3 Coordonn´ees et changement de base orthonorm´ees, . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Suppl´ementaire orthogonal d’un sev de dimension finie . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Projection orthogonale sur un sev de dimension finie . . . . . . . . . . . . . 10
2.6 Distance `a un sous-espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 Sym´etries, r´eflexions et projections orthogonales . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Topologie des espaces pr´ehilbertiens, espaces de Hilbert 16
4 Formes lin´eaires sur un espace euclidien ou hermitien. 19
5 Annexe : l’espace pr´ehilbertien des fonctions p´eriodiques et continues 20
6 Annexe : programmation en MAPLE du proc´ed´e de Gram Schmidt 22
7 Corrig´es ou d´emonstrations 25
Prehilbertiens.teX
1
1 Espaces pr´ehilbertiens
1.1 Espaces pr´ehilbertiens r´eels
D´efinition 1 Un produit scalaire sur un R-ev Eest une application
ϕ(x, y)E2ϕ(x, y) =< x|y >R,
telle que
ϕest sym´etrique,
ϕest bilin´eaire,
ϕest positive, en ce sens que, pour tout xE, ϕ(x, x)0,
ϕest une forme bilin´eaire ”d´efinie” en ce sens que pour tout xE,
ϕ(x, x) = 0 x= 0.
Un espace muni d’un produit scalaire est un espace pr´ehilbertien r´eel, un espace euclidien
s’il est de dimension finie.
Th´eor`eme 1 in´egalit´es de Cauchy-Schwarz et in´egalit´e de Minkowski (ou triangulaire)
Soit Eun R-ev muni d’un produit scalaire ϕ, alors
ϕ(x, y)2ϕ(x, x)ϕ(y, y),
l’´egalit´e ayant lieu ssi xet ysont li´es.
En notant ||x|| =ϕ(x, x),on a, Pour tout couple (x, y)E2,
||x+y|| ≤ ||x|| +||y||.
L’application xE→ ||x|| =ϕ(x, x) est une norme sur E.
D´emonstration classique, voir le cas complexe pour une d´emonstration g´en´erale.
Exercice/lllustration 1 Quelques exemples
1. Dans Rn, < X|Y >=xiyi;
2. Dans R[X] on aura une mine de produits scalaires, d`es lors que les fonctions ω, ωi
sont continues et strictement positives en tout point :
< P |Q >=1
0
w(t)P(t)Q(t)dt,
< P |Q >=1
0
w1(t)P(t)Q(t)dt +1
0
w2(t)P(t)Q(t)dt...
3. Dans C([a, b],R),
< f|g >=1
0
w(t)f(t)g(t)dt
2
4. Dans C1([a, b],R),
< f|g >=1
0
w1(t)f(t)g(t)dt +1
0
w2(t)f(t)g(t)dt
5. L’ensemble des suites r´eelles (ui)iNtelles que u2
i<+,forme un espace vectoriel
pr´ehilbertien avec le produit scalaire
u|v=
i=0
uivi...
Voir l’exercice ??
6. Dans Mn(R),le produit scalaire
< A|B > =T r(AtB) =
n
i=1
n
j=1
ai,jbi,j .
voir exercice 1
Exercice 1 D’apr`es Centrale 2000, Maths2 ;
1. Montrer que l’application ϕ:Mn(R)× Mn(R)R,d´efinie par :
ϕ(A, B) = T r(AtB)
est un produit scalaire. On note || || la norme associ´ee. Exprimer ||A||2en fonction
des (ai,j).
2. Soit Ω un ´el´ement de On(R).Montrer que pour toute matrice A,
||A|| =||A||.
Prouver que si Aest une matrice sym´etrique, la matrice B=tAΩ est elle-mˆeme
sym´etrique et que l’on a, en notant (bi,j ) les coefficients de B:
n
i=1
n
j=1
b2
i,j =
n
i=1
n
j=1
a2
i,j.
1.2 Espaces pr´ehilbertiens complexes
D´efinition 2 Un produit hermitien (ou produit scalaire complexe) sur un Cev Eest
une application
ϕ(x, y)E2ϕ(x, y) =< x|y >C,
telle que
pour tout (x, y)E2, ϕ(x, y) = ϕ(y, x)
ϕest lin´eaire `a gauche, 1
ϕest positive, en ce sens que, pour tout xE, ϕ(x, x)0,
1. Attention, certains disent `a droite ! ! !
3
ϕest une forme lin´eaire ”d´efinie” en ce sens que pour tout xE,
ϕ(x, x) = 0 x= 0.
On dit qu’un espace muni d’un produit scalaire complexe est un espace pr´ehilbertien
complexe, un espace hermitien s’il est de dimension finie.
Th´eor`eme 2 in´egalit´es de Cauchy-Schwarz et de Minkowski
Soit Eun Cev muni d’un produit scalaire ϕ, alors
|ϕ(x, y)|2ϕ(x, x)ϕ(y, y),
l’´egalit´e ayant lieu ssi sont li´es .
En notant ||x|| =ϕ(x, x),on a, Pour tout couple (x, y)E2,
||x+y|| ≤ ||x|| +||y||.
L’application xE→ ||x|| =ϕ(x, x) est une norme sur E.
Exercice 2 d´emonstration de l’in´egalit´e de C-S
1. Etudier le polynˆome de la variable r´eelle, `a coefficients r´eels P(λ) = ||x+λy||... En
d´eduire le cas d’´egalit´e.
2. Consid´erer ey...
Exercice 3 Quelques exemples
1. Dans Rn, < X|Y >=xi¯yi;
2. Dans R[X] on aura les produits scalaires :
< P |Q >=1
0
w(t)P(t)¯
Q(t)dt,
< P |Q >=1
0
w1(t)P(t)¯
Q(t)dt +1
0
w2(t)P(t)¯
Q(t)dt...
3. Dans C([a, b],R),
< f|g >=1
0
w(t)f(t)¯
g(t)dt
4. Dans C1([a, b],R),
< f|g >=1
0
w1(t)f(t)¯
g(t)dt +1
0
w2(t)f(t)¯
g(t)dt
4
5. l’ensemble des suites complexes (ui)iNtelles que |ui|2<+,forment un espace
vectoriel pr´ehilbertien avec le produit scalaire
u|⟩ =
i=0
uivi...
Voir l’exercice ??
6. Dans Mn(C),le produit scalaire
< A|B >=T r(At¯
B) =
n
i=1
n
j=1
ai,j ¯
bi,j.
2 Orthogonalit´e
2.1 G´en´eralit´es
D´efinition 3 Soit (E, < |>) un espace pr´ehilbertien r´eel ou complexe de produit sca-
laire not´e < x|y > . On dit que deux ´el´ements xet yde Esont orthogonaux ssi < x|y >= 0.
Th´eor`eme 3
Soit Aune partie non vide de E. L’ensemble des vecteurs de Eorthogonaux `a tous les
vecteurs de Aest une sev de E. On le note A(= {xE;zA, < x|z >= 0}).
Aferm´e.
d´emonstration
Aest un sev de Ecar :
- 0 A;
- si xA, y A, λ K,pout tout aA, (x+λy|a) = (x|a) + λ(y|a) = 0...
Aest ferm´e : en effet, si (xn)nest une suite d’´el´ements de Aqui converge vers E,
pour tout aA, on a : lim(xn|a) = (|a) = 0,ce qui ´etablit que A.
Exercice 4
1. Montrer que pour toute partie non vide, A=vectA;
2. Montrer que, si ABalors BA;
3. Soit Aen sev de E. Montrer que AA; pour une r´eciproque voir le cas o`u A
est un sev de dimension finie apr`es le th´eor`eme 10.
4. Montrer que la r´eciproque peut-ˆetre fausse lorsque Aest de dimension infinie.
Indication : toute fonction continue sur [0,1] telle que
1
0
f(t)tndt = 0
est nulle (c’est une cons´equence du th´eor`eme de Weierstrass)...
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